CN116555697A - 一种马氏体耐热钢铸件的预氧化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸钢件生产技术领域，特别涉及一种燃气轮机用马氏体耐热钢铸件精加工后表面预氧化的控制方法，主要通过预氧化前的铸件表面清理控制，铸件置于热处理炉中氧化加热过程参数控制，进而保证精加工后的铸件表面获得均匀的氧化层，同时可消除铸件的加工残余应力。保证铸件在后期中高温工况下持有稳定的组织和尺寸以及较高的抗疲劳性，使得铸件工作期间质量稳定，显著提高铸件使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于铸钢件生产技术领域，特别涉及一种燃气轮机用马氏体耐热钢铸件精加工后表面预氧化的控制方法。
背景技术
燃气轮机广泛应用于发电、船舰和机车动力、管道增压等能源、国防、交通领域，是关系国家安全和国民经济发展的高技术核心装备，属于高科技产业。燃气轮机技术水平是代表一个国家科技和工业整体实力的重要标志之一，被誉为动力机械装备领域“皇冠上的明珠”。目前，随着燃气轮机技术水平的提升，要求燃气轮机既高效又极为灵活，除了适于供应基础发电，同时用作可再生能源发电系统的备用系统，它可在联合循环发电装置中实现高达63％以上的发电效率。更高的发电效率也就意味着燃烧室更高的温度，更高的效率；从而要求燃烧室的铸件耐更高温度，而且在长期高温下使用，铸件需要较好的高温持久性能和优良的抗氧化性。因此，对这类铸件产品质量要求极为严苛，表现为机械力学性能要求高、无损检测等级高、焊接质量要求严、尺寸特殊公差多等特点。
上述燃烧室的铸件，一方面该类铸件结构复杂、吨位较大，需要精加工的部位较多，为保证精加工各部位均有余量，整体粗加工留量相对比较大，尤其是有些易变形的部位。同时由于整体精加工的部位多，加工量大，导致铸件残留的加工应力变大；另一方面该类铸件的材质为马氏体耐热钢，基体为马氏体组织，与其他类组织比较，马氏体的比容比较大，因此在燃机机组运行过程中，铸件会时常经历升温或冷却降温的过程，组织应力也比较大。这些组织应力若不进行控制或提前释放，在后期铸件的装配、使用过程中，就会使铸件发生尺寸和形状的变化，从而影响铸件的使用性能。一方面，铸件在精加工后，发运至燃机装配地，过程中存在运输、储存、检测、装配等环节，过程中若对铸件不采用防护措施，会导致铸件表面生锈或被污染；目前采用的防护措施为在铸件表面涂漆或涂油，导致铸件在检测或装配过程中需要增加清理去除漆或油工序。另一方面，燃烧室的铸件需要长期处于520～550℃高温热冲击工况中，因此，需提高该类铸件的强度、高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，以提高产品质量、提高产品的使用寿命，降低使用过程中的损坏维修率或报废率。因此，如何改善马氏体耐热钢铸件的使用特性及提高铸件质量以延续使用寿命亟待解决。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本申请提供一种马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，具体技术方案如下：
一种马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，所述预氧化方法包括以下步骤：
步骤01，将精加工后的马氏体耐热钢铸件进行表面清理。
步骤02，将步骤01所获得的铸件置于热处理炉中；采用设定升温速度对铸件进行缓慢加热，待铸件温度升温至250℃至350℃时，保温2h至4h；之后继续采用设定升温速度进行加热，待铸件温度升温至590℃至610℃时，保温3h至5h；采用设定降温速度对铸件进行冷却降温，待铸件温度小于50℃后出炉。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，所述设定升温速度为小于或等于40℃/h。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，所述设定降温速度为小于或等于30℃/h。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，将步骤01所获得的铸件置于热处理炉中时，所述热处理炉的温度小于或者等于100℃。也即热处理炉的初始温度要求为常温至100℃以内时，才可以放置铸件；若热出炉的炉膛温度高于100℃，但是铸件又处于常温状态，会使炉温与铸件温差过大，会导致铸件产生额外的热应力。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，所述热处理炉选用炉温均匀性范围为﹣10℃至10℃范围内的热处理炉。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，为了使铸件加热过程中达到表面氧化的目的，所述热处理炉采用火焰气氛进行加热，采用燃烧天然气和空气的混合气进行铸件的预氧化。
在其中一实施例中，在所述步骤02中，铸件加热过程中，炉内空气体积与天然气体积的比例为(10～12):1，以使炉膛内加热气氛为氧化性气氛,就是燃料在过剩空气的情况下燃烧，使炉内有较多的氧。
在其中一实施例中，在所述步骤01中，采用水清洗剂清理马氏体内热钢铸件的表面，清理完毕后，并热脱脂及干燥处理，以确保铸件表面无铁锈、氧化物、油脂等杂质存在。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的预氧化方法，主要通过预氧化前的铸件表面清理控制，铸件置于热处理炉中氧化加热过程参数控制，进而保证精加工后的铸件表面获得均匀的氧化层，同时可消除铸件的加工残余应力。保证铸件在后期中高温工况下持有稳定的组织和尺寸以及较高的抗疲劳性，使得铸件工作期间质量稳定，显著提高铸件使用寿命。
附图说明
无。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
本发明涉及的马氏体耐热钢铸件的具体材质为高合金马氏体耐热钢GX12CrMoVNbN9-1，其化学成分(质量百分比，％)为C:0.11～0.14，Si:0.20～0.50,Mn:0.40～0.80，P≤0.03，S≤0.03，Cr:8.0-9.5,Ni≤0.4，Mo:0.90～1.05，Nb:0.05～0.08，N:0.04～0.06，其余为铁及杂质。要求常温力学性能中抗拉强度≥630MPa，屈服强度≥500MPa，延伸率≥16％，断面收缩率≥40％，该力学性能较于其它同类材质产品铸件屈服强度标准提高了40MPa，冲击延伸率提高了1％。同时，铸件结构较复杂，呈左右两半结构，每半重量15t左右，轮廓尺寸4.4*2.2*2.2m，最大壁厚325mm，最小壁厚60mm，内腔有多个沟槽，外腔有凸台和沟槽，铸件壁上需要加工许多孔。该铸件铸造各项指标检测合格后需经过粗加工和精加工后，最终组装至到燃气轮机机组中。该类马氏体耐热钢铸件的预氧化方法具体步骤如下：
尺寸划线：将精加工后的铸件进行关键尺寸划线检测，记录尺寸检测结果；通过关键尺寸划线，确定铸件的尺寸现状，并与加工工艺图进行对比，确定铸件张口或缩口的量，同时在铸件上标识出划线基准、变形量及检测基准；确保铸件预氧化出炉后的划线基准与该尺寸划线步骤标识的一致。
热处理炉的选择及工装准备：热处理炉选择火焰气氛的热处理炉，即采用燃烧天然气和空气的混合气进行铸件的预氧化，并且，热处理炉选用炉温均匀性范围为﹣10℃至10℃范围内。其中天然气的主要组成成分是甲烷CH4，同时通入热处理炉内的空气中含有O2、N2。当天然气炉各烧嘴天然气留量一定的情况下，铸件加热过程中，通过调节压缩空气阀使通入炉内空气体积与天然气体积比控制在(10～12)：1，这样使炉膛内加热气氛为氧化性气氛,就是燃料在过剩空气的情况下燃烧，使炉内有较多的氧。
具体地，在铸件加热过程中，可调节天然气气阀或者空气阀的大小，以确保火嘴火焰无散火，火焰长度保持在0.8～1.2m,热处理炉各个烧嘴火焰不能喷射到垫铁和铸件上，而且火焰的颜色呈微蓝色，使热处理炉内燃烧的气氛呈氧化性气氛。
铸件清理：由于铸件在精加工过程中，导致铸件表面附着污染物，因此在铸件预氧化之前，需要对铸件表面进行严格的表面清理。采用水清洗剂清理马氏体内热钢铸件的表面，清理完毕后，并热脱脂及干燥处理，以确保铸件表面无铁锈、氧化物、油脂等杂质存在。
需要说明的是，无论是单件铸件或合缸铸件，需要将各类铸件的表面均进行清洗，清洗合格后，合缸铸件需要进行把合，合缸后再次检查铸件表面的洁净度，确保铸件表面干净及干燥。
铸件装炉：根据铸件的结构及大小在热处理炉的台车炉面上设置好垫铁，保证垫铁不能阻挡天然气喷火嘴的火焰通道，同时垫铁的设置方式及数量以可稳定支撑铸件为设置原则。垫铁设置完成后，将铸件置于垫铁上，同时采用若干水平仪确定铸件的水平位置，若是水平值不符合要求，则需要在铸件与垫铁之间添加不锈钢薄片，薄片的厚度尺寸为0.1～2mm。这样使得铸件处于水平位置，以使铸件各部位受力均衡，避免局部受力较大，同时可减小在热处理过程中的变形量。
具体地，铸件调平放置完成后，在铸件的表面间隔设置热电偶，热电偶布置在铸件的各个方向、壁厚部位及壁薄部位，用于监控炉内温度计铸件的温度。在布置过程中热电偶的测温头端和铸件本体紧密贴合，采用1～3Kg的金属铁块压住热电偶，确保在整个热处理过程中热电偶不脱落。
铸件预氧化热处理控制：将热处理炉的初始温度调整为常温至100℃以内，将以设置铸件的热处理炉台车置于热处理的炉膛内，采用≤40℃/h的升温速度对铸件进行缓慢加热，待铸件温度升温至250℃至350℃时，保温2h至4h，以确保铸件不同部位温度差异尽可能小，控制在铸件各部位温度差异≤50℃；之后继续采用≤40℃/h的升温速度进行加热，待铸件温度升温至590℃至610℃时，保温3h至5h之后，采用≤30℃/h的降温速度对铸件进行冷却降温，待铸件温度小于50℃后出炉。出炉后的铸件不允许直接放置在地面上，必须使用多组方木均布进行支撑，要求整个吊运过程避免机损。
需要说明的是，一般金属材料在氧化性气氛加热时(如空气、气氛中O2、CO2、H2O等)中，温度超过300℃在工件表面易形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。在温度570℃以下，主要形成Fe2O3+Fe3O4这类比较致密的氧化物，其可使钢表面与氧化性气氛隔离，阻止钢的表面进一步氧化。大于570℃加热，氧化膜由FeO+Fe2O3+Fe3O4组成，靠近钢表面的是FeO，向外依次为Fe3O4和Fe2O3，FeO疏松多孔，占整个氧化膜厚的90％左右，金属原子和氧原子很容易通过FeO层扩散，加速氧化。高温下FeO的存在，钢的抗氧化性显著下降，而且温度越高，原子扩散越快，氧化速度越快。不仅导致钢的烧损加大，而且使铸件尺寸变小，表面粗糙，严重影响整个铸件的使用寿命和质量。
本实施例所述铸件材质中含有Cr、Si、Al等合金元素，尤其是铬与氧比其它元素的亲和性更强，可以优先形成致密的高熔点氧化膜Cr2O3、SiO2、Al2O3等，严密地覆盖住钢的表面，阻止O2、S、N等腐蚀性气体向钢中扩散，也能阻碍金属离子向外扩散，在一定的温度范围内还能形成一层Ni0-Cr20、FeO-Cr2O3、FeO-Fe2O3和FeCr2O4等复合氧化膜，增强了钢的抗高温氧化能力，使氧不易再向钢中渗透，从而防止钢的进一步氧化。因此，为了使本实施例涉及的铸件表面提前形成较高温度下的致密的复合氧化层，以长期抵抗温度低的使用工况下的氧化侵蚀，本实施例的提高了预氧化保温温度至590～610℃，且在此温度区间内开始进行保温，因为Cr的氧化物生成温度最低600℃。另外，对于高合金耐热钢精加工后的消应力温度必然要低于铸件铸造生产中的性能热处理中的回火温度，且不能降低铸件原有的力学性能，而且为了预氧化的过程中消除铸件加工的残余应力，提高消应力温度，可显著提高消应力的效果。因此，本实施例提供的预氧化方法，铸件选择的预氧化温度比现有技术中采用的450-500℃或530～560℃高。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，所述预氧化方法包括以下步骤：
步骤01，将精加工后的马氏体耐热钢铸件进行表面清理；
步骤02，将步骤01所获得的铸件置于热处理炉中；采用设定升温速度对铸件进行缓慢加热，待铸件温度升温至250℃至350℃时，保温2h至4h；之后继续采用设定升温速度进行加热，待铸件温度升温至590℃至610℃时，保温3h至5h；采用设定降温速度对铸件进行冷却降温，待铸件温度小于50℃后出炉。
2.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，所述设定升温速度为小于或等于40℃/h。
3.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，所述设定降温速度为小于或等于30℃/h。
4.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，将步骤01所获得的铸件置于热处理炉中时，所述热处理炉的温度小于或者等于100℃。
5.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，所述热处理炉选用炉温均匀性范围为﹣10℃至10℃范围内的热处理炉。
6.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，所述热处理炉采用火焰气氛进行加热，采用燃烧天然气和空气的混合气进行铸件的预氧化。
7.根据权利要求6所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤02中，铸件加热过程中，炉内空气体积与天然气体积的比例为(10～12):1。
8.根据权利要求1所述的马氏体耐热钢铸件的预氧化方法，其特征在于，在所述步骤01中，采用水清洗剂清理马氏体内热钢铸件的表面，清理完毕后进行干燥处理。
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